Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kekasaran Permukaan dalam Pencetakan 3D Logam

Kekasaran permukaan bahagian cetakan 3D logam berbeza-beza bergantung pada julat faktor, dan secara amnya terletak di antara beberapa mikrometer dan beberapa puluh mikrometer. Tidak seperti bahagian yang dimesin secara tradisional, di mana kemasan permukaan sebahagian besarnya merupakan fungsi geometri alat dan parameter pemotongan, pembuatan bahan tambahan logam memperkenalkan set pembolehubah yang lebih luas - proses pencetakan itu sendiri, ciri fizikal bahan yang dicetak dan pasca-langkah pemprosesan yang digunakan selepas itu semuanya berinteraksi untuk menentukan keadaan permukaan akhir. Memahami cara setiap faktor ini menyumbang membantu menjelaskan mengapa dua bahagian yang dicetak daripada reka bentuk yang sama boleh berakhir dengan kualiti permukaan yang berbeza secara bermakna.

Gabungan Katil Serbuk Laser (L-PBF). Ini adalah salah satu proses percetakan 3D logam yang lebih biasa digunakan hari ini. Ia berfungsi dengan menggunakan-laser bertenaga tinggi untuk mencairkan serbuk logam, yang kemudiannya dibina lapisan demi lapisan ke dalam bentuk bahagian akhir. Di bawah keadaan yang ideal, kekasaran permukaan dengan proses ini boleh dikawal kepada sekitar Ra 10–30μm. Sebagai contoh, apabila mencetak bahagian logam dengan struktur yang agak mudah menggunakan proses ini, tahap kekasaran yang agak rendah boleh dicapai setelah parameter telah dioptimumkan. Ini kerana tenaga laser agak tertumpu, membenarkan kawalan tepat ke atas bentuk dan saiz kolam cair. Ketepatan ini bermakna serbuk bercantum dan menyusun dengan lebih padat apabila ia menjadi pejal, yang membantu mengurangkan kekasaran permukaan ke tahap tertentu. Sifat pancaran laser yang tertumpu rapat juga bermakna input haba ke dalam serbuk yang tidak cair di sekelilingnya boleh diminimumkan, mengurangkan jumlah serbuk separa tersinter yang cenderung melekat pada tepi ciri yang dicetak dan menyumbang kepada kemasan yang lebih kasar.

Peleburan Rasuk Elektron (EBM). Proses ini menggunakan pancaran elektron untuk mengimbas dan mencairkan serbuk logam. Bahagian yang dicetak menggunakan proses ini lazimnya berada dalam julat kekasaran umum yang serupa, walaupun keputusan boleh berbeza-beza bergantung pada ciri pancaran elektron dan strategi pengimbasan yang digunakan. Rasuk elektron membawa tenaga tinggi dan menawarkan fokus yang sangat baik, membolehkan-pencairan berketepatan tinggi dan pembentukan bahagian. Dalam aplikasi yang memerlukan kualiti permukaan terutamanya, penalaan halus-parameter proses boleh menurunkan kekasaran hingga hampir kepada Ra 10μm atau lebih rendah. Perlu diingat bahawa EBM lazimnya dijalankan pada suhu bilik binaan-yang tinggi dan dalam keadaan vakum, yang mengubah cara lapisan serbuk berkelakuan berbanding proses-berasaskan laser - suhu yang dinaikkan mengurangkan tegasan terma semasa binaan, tetapi ia juga boleh menyebabkan lebih banyak zarah serbuk tersinter sedikit bersama-sama di sekeliling satu bahagian yang mempunyai kontur yang kasar daripada EBM, yang kadangkala mempunyai kontur permukaan yang berbeza. L-PBF muncul walaupun nilai kekasaran nominal adalah serupa.

Bahan logam yang berbeza. Takat lebur, kelikatan dan ciri fizikal lain bahan tertentu secara langsung mempengaruhi kebolehliran dan kelakuan penyebaran serbuk-semasa proses pencetakan, yang seterusnya mempengaruhi kekasaran permukaan. Contohnya, aloi aluminium - yang mempunyai takat lebur yang agak rendah dan kebolehliran yang baik - cenderung untuk mengisi celah dan membentuk permukaan licin dengan lebih mudah semasa pencetakan, dan kekasarannya secara amnya boleh mencapai julat Ra 15–25μm. Sebaliknya, sesetengah logam dengan takat lebur yang lebih tinggi dan kelikatan yang lebih besar, seperti aloi tinggi-suhu tinggi tertentu, mungkin tidak merebak dan bercantum dengan ideal semasa proses pencetakan, dan kekasarannya mungkin berjalan agak lebih tinggi - biasanya dalam julat Ra 20–35μm. Perbezaan ini penting dalam amalan: pereka bahagian memilih antara aloi aluminium dan aloi-berasaskan nikel untuk aplikasi tertentu bukan sahaja menimbang sifat mekanikal dan rintangan suhu, tetapi juga secara tersirat menerima kemasan permukaan garis dasar yang berbeza sebelum sebarang pemprosesan-siaran digunakan.

Komposisi aloi. Perkadaran unsur yang berbeza dalam aloi juga mempengaruhi kekasaran permukaan. Sebagai contoh, aloi yang mengandungi bahagian unsur mudah teroksida yang lebih tinggi mungkin mengalami kemerosotan kualiti permukaan akibat pengoksidaan yang berlaku semasa proses pencetakan, yang seterusnya meningkatkan kekasaran. Kesan ini amat relevan untuk proses pencetakan 3D logam yang tidak beroperasi dalam persekitaran lengai atau vakum sepenuhnya, di mana pendedahan oksigen surih semasa kitaran lebur setiap lapisan boleh terkumpul menjadi kesan yang boleh diukur pada permukaan siap sepanjang tempoh binaan yang mungkin melibatkan beribu-ribu lapisan individu.

Rawatan haba. Rawatan haba yang sesuai boleh melegakan tekanan dalaman dan memperbaiki struktur metalurgi bahagian, dengan itu mengurangkan kekasaran permukaan. Selepas rawatan haba, permukaan bahagian mungkin menjadi lebih sekata, dengan kekasaran berkurangan beberapa mikrometer. Contohnya, penyepuhlindapan bahagian logam bercetak selepas binaan membantu memperhalusi struktur butiran, menjadikan struktur mikro permukaan lebih seragam. Kekasaran boleh dikurangkan daripada sekitar Ra 20μm sebelum rawatan kepada sekitar Ra 15μm selepas itu. Walaupun rawatan haba sering digunakan terutamanya untuk melegakan tekanan sisa dan meningkatkan sifat mekanikal seperti kemuluran, kesannya terhadap kekasaran permukaan ialah faedah kedua - berguna yang kadangkala terlepas pandang oleh pereka apabila merancang urutan pemprosesan penuh-bahagian, walaupun ia boleh mengurangkan jumlah kemasan mekanikal yang diperlukan di hiliran.

Pemprosesan mekanikal. Mengurangkan kekasaran dengan ketara boleh dicapai melalui kaedah pemprosesan mekanikal seperti mengempelas dan menggilap. Mengempelas menghilangkan tonjolan permukaan dan ketidaksempurnaan, meningkatkan kerataan permukaan keseluruhan. Menggilap kemudian memperhalusi permukaan, mengurangkan kekasaran kepada hanya beberapa mikrometer atau lebih rendah. Contohnya, selepas penggilap halus, kekasaran bahagian cetakan 3D logam boleh mencapai di bawah Ra 5μm, memenuhi permintaan aplikasi dengan keperluan kemasan permukaan yang sangat tinggi, seperti komponen instrumen optik. Rawatan haba jujukan kemasan - jenis ini untuk menstabilkan bahan, diikuti dengan pengamplasan untuk membuang ciri permukaan kasar, diikuti dengan penggilap untuk mencapai kualiti permukaan akhir - menggambarkan bagaimana pengurangan kekasaran dalam pembuatan bahan tambahan logam jarang dicapai melalui satu langkah. Sebaliknya, ia biasanya melibatkan gabungan berlapis rawatan terma dan mekanikal, masing-masing menangani skala ketidakteraturan permukaan yang berbeza, daripada pelepasan tekanan pukal hingga ke tahap kelicinan{10}}mikron.

Jika diambil secara keseluruhan, ketiga-tiga kategori faktor - jenis proses, sifat bahan dan-kaedah pemprosesan pasca - ini berinteraksi dan bukannya bertindak secara bebas. Bahagian yang dicetak melalui L-PBF daripada aloi aluminium-berkelikatan rendah dengan-parameter yang dioptimumkan dengan baik mungkin sudah mencapai kekasaran yang agak baik kerana-kekasaran terbina, manakala reka bentuk yang sama yang dicetak daripada aloi super-kelikatan tinggi melalui EBM mungkin bermula daripada garis dasar yang lebih kasar walaupun sebelum sebarang pemprosesan digunakan{{9} Ini bermakna bahawa mencapai kemasan permukaan sasaran untuk aplikasi tertentu bukan sekadar menentukan langkah{11}}pemprosesan pos pada penghujung aliran kerja - ia memerlukan mempertimbangkan proses dan pilihan bahan dari awal, memandangkan keputusan huluan ini menetapkan lantai dan siling praktikal untuk apa yang boleh dicapai oleh pemprosesan-pos secara realistik. Untuk aplikasi dengan keperluan kemasan permukaan yang ketat, memahami cara pembolehubah ini berinteraksi membolehkan jurutera memilih gabungan proses, bahan dan kaedah kemasan yang betul dari awal, dan bukannya cuba mengimbangi keadaan permukaan awal yang buruk melalui pemprosesan hiliran yang meluas dan mahal.